碳化及硫酸鹽侵蝕對(duì)混凝土強(qiáng)度性能的影響研究

緱彥強(qiáng)， 孫 陽(yáng)， 王瑞駿， 徐 帆， 李 陽(yáng)

(1.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院， 陜西 西安 710048； 2.中國(guó)水利水電建設(shè)工程咨詢西北有限公司，陜西 西安 710061)

1 研究背景

混凝土面板堆石壩具有安全性好、工程量小、施工方便、工期短等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為許多工程的首選壩型[1]?；炷敛牧显诜燮陂g由于受到化學(xué)腐蝕等自然因素的作用，導(dǎo)致其強(qiáng)度下降、力學(xué)性能退化，從而造成重大的經(jīng)濟(jì)損失并嚴(yán)重影響人身財(cái)產(chǎn)安全?；瘜W(xué)腐蝕主要有硫酸鹽侵蝕、氯離子擴(kuò)散、混凝土碳化等，其嚴(yán)重影響混凝土材料的力學(xué)性能。因此，開展環(huán)境因素影響下混凝土力學(xué)性能的研究具有重要意義[2-4]。

近年來，不少專家學(xué)者對(duì)硫酸鹽侵蝕和碳化對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響做了一些研究，如：董必欽等[5]探索了混凝土在硫酸根離子作用下的損傷變化，分別總結(jié)出混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的曲線圖，并得出一定規(guī)律，此外也研究了干濕循環(huán)對(duì)于強(qiáng)度損傷的探索，得出多種周圍環(huán)境影響條件下混凝土構(gòu)件性能的演變規(guī)律比單一影響條件下更有實(shí)際參考意義；喬宏霞等[6]及Hadjsadok等[7]研究發(fā)現(xiàn)摻加復(fù)合摻合料混凝土在硫酸鹽侵蝕后，其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度比普通混凝土變化小；王懌涵等[8]研究發(fā)現(xiàn)混凝土的抗壓強(qiáng)度隨硫酸鹽干濕循環(huán)次數(shù)的增加而降低，經(jīng)15次硫酸鹽干濕循環(huán)后質(zhì)量明顯增大，以后隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，質(zhì)量變化不大；趙慶新等[9]、巴明芳等[10]、趙鐵軍等[11]探索了混凝土損傷后進(jìn)行在二氧化碳環(huán)境下的課題，結(jié)果顯示，當(dāng)混凝土的損傷越大時(shí)，其對(duì)應(yīng)碳化深度也隨之增大；耿歐等[12]研究發(fā)現(xiàn)碳化后混凝土峰值應(yīng)變基本保持不變，而峰值應(yīng)力有所提高，原混凝土等級(jí)越高，峰值應(yīng)力提高幅度越大。趙冰華等[13]的試驗(yàn)表明，碳化可以提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，但同時(shí)會(huì)降低混凝土的抗折強(qiáng)度，滲透性也會(huì)因碳化而降低。張金喜等[14]對(duì)不同劣化作用下混凝土力學(xué)性能的研究發(fā)現(xiàn)，碳化后混凝土的抗壓強(qiáng)度增大，短期內(nèi)硫酸鹽干濕循環(huán)對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響不大。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)單因素作用下混凝土強(qiáng)度特性的研究較為全面，而對(duì)多因素共同作用下混凝土強(qiáng)度特性的研究相對(duì)不夠深入，尤其是在碳化和硫酸鹽侵蝕等共同作用下混凝土強(qiáng)度特性的研究相對(duì)較少。為此，本文對(duì)碳化與硫酸鹽干濕循環(huán)作用下混凝土的強(qiáng)度特性及其演變規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究，對(duì)比分析了單一因素及多因素作用下混凝土力學(xué)性能的變化規(guī)律，以期為考慮碳化及硫酸鹽侵蝕共同作用下混凝土工程的設(shè)計(jì)提供參考。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用粗骨料為經(jīng)過篩分后粒徑為5～30 mm的天然卵石；細(xì)骨料為河砂(細(xì)度模數(shù)為2.5)；水泥為陜西秦嶺水泥總廠生產(chǎn)的的秦嶺牌P·O42.5R普通硅酸鹽水泥；試驗(yàn)用水為自來水；中科院生產(chǎn)的高效三萜皂甙引氣劑；中科院生產(chǎn)的高效聚羥基酸減水劑。

2.2 面板混凝土配合比設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)了3種不同水灰比的混凝土，選定混凝土單位用水量為129 kg，粗骨料為二級(jí)配，大石子與小石子比例為1∶1，砂率為0.34，減水劑用量為0.8%。混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法，參照J(rèn)GJ55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》進(jìn)行。3種編號(hào)混凝土的坍落度、保水性及黏聚性均符合混凝土對(duì)和易性的要求。各配合比混凝土均符合C25混凝土要求。混凝土的配合比見表1。

表1 混凝土配合比

2.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)參照GB/T 50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)》)進(jìn)行操作。試驗(yàn)均釆用尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，混凝土試件均采用機(jī)械攪拌，標(biāo)準(zhǔn)鋼模成型，振動(dòng)臺(tái)振搗密實(shí)，24 h后拆模，在溫度為20±2℃ ，相對(duì)濕度為95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d。在計(jì)算機(jī)控制的電液伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。分別按照上述配合比試驗(yàn)制作3組試件。

2.3.1 硫酸鹽侵蝕試驗(yàn) 按照《標(biāo)準(zhǔn)》中的“硫酸鹽干濕循環(huán)”方法進(jìn)行試驗(yàn)。將水灰比為0.45、0.40和0.35的混凝土試件分別編號(hào)為S1、S2、S3 ,每組54個(gè)試件，其中抗壓和劈裂試驗(yàn)各27個(gè)，共計(jì)162個(gè)試件，侵蝕溶液均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的硫酸鈉溶液。將試件養(yǎng)護(hù)至28 d齡期的前2 d，從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中取，擦干表面后放入烘干箱中，在80℃下烘48 h，烘干后將試件在干燥環(huán)境中冷卻至室溫，隨后將試件放入硫酸鹽干濕循環(huán)試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行試驗(yàn)?；炷亮蛩猁}干濕循環(huán)試驗(yàn)如圖1所示。

2.3.2 碳化試驗(yàn) 按照《標(biāo)準(zhǔn)》中的“碳化”方法進(jìn)行試驗(yàn)。將水灰比為0.45、0.40和0.35的混凝土試件分別編號(hào)為T1、T2、T3 ,每組24個(gè)試件，其中抗壓和劈裂試驗(yàn)各12個(gè)，共計(jì)72個(gè)試件。當(dāng)試件到達(dá)預(yù)定齡期的前2 d，從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中取，放入烘干箱中在60℃ 下烘48 h，隨后將試件放入二氧化碳濃度(20±3)%，相對(duì)濕度(70±5)%，溫度在(20±2)℃ 的混凝土碳化試驗(yàn)箱中進(jìn)行試驗(yàn)?；炷撂蓟囼?yàn)如圖2所示。

2.3.3 碳化和硫酸鹽侵蝕交替試驗(yàn) 將水灰比為0.45、0.40和0.35的混凝土試件分別編號(hào)為TS1、TS2 、TS3，每組24個(gè)試件，其中抗壓和劈裂試驗(yàn)各12個(gè)，共計(jì)72個(gè)試件。交替試驗(yàn)時(shí)，按照前面試驗(yàn)步驟，首先碳化7 d，然后立即取出試件進(jìn)行硫酸鹽干濕循環(huán)試驗(yàn)，循環(huán)15次，以上為一個(gè)碳化和硫酸鹽侵蝕交替(TS)循環(huán)。重復(fù)以上循環(huán)，一共完成4個(gè)TS循環(huán)。

圖1混凝土硫酸鹽干濕循環(huán)試驗(yàn)圖2混凝土碳化試驗(yàn)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)

不同水灰比混凝土試件的抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度與硫酸鹽干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系分別如圖3、4所示。

圖3 不同水灰比混凝土的抗壓強(qiáng)度與硫酸鹽干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖4 不同水灰比混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度與硫酸鹽干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

由圖3、4可知，水灰比與混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度關(guān)系密切，水灰比越大，混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度越小。

由圖3可以看出，S1、S2、S3試件組在硫酸鹽侵蝕過程中抗壓強(qiáng)度均存在一個(gè)強(qiáng)度增長(zhǎng)期。S1試件組經(jīng)15次硫酸鹽干濕循環(huán)后抗壓強(qiáng)度上升到最高，為39.8 MPa，增加了2.58%；S2試件組經(jīng)30次硫酸鹽干濕循環(huán)后抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，為42.3 MPa，增加了5.22%；S3試件組經(jīng)45次硫酸鹽干濕循環(huán)后抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，為47.7 MPa，增加了9.40%。經(jīng)120次硫酸鹽干濕循環(huán)后，S1、S2、S3試件組的抗壓強(qiáng)度分別為32.1，36.2和41.4 MPa，分別比未受硫酸鹽侵蝕前降低了17.27%，9.95%和5.05%。

由圖4可以看出，與抗壓強(qiáng)度一樣，S2、S3試件組的劈裂抗拉強(qiáng)度在硫酸鹽侵蝕過程中也均存在一個(gè)強(qiáng)度增長(zhǎng)期，S1試件組的劈裂抗拉強(qiáng)度則一直處于下降趨勢(shì)，經(jīng)120次硫酸鹽干濕循環(huán)后的劈裂抗拉強(qiáng)度為1.52MPa，降低了24.38%，而S2和S3試件組經(jīng)120次硫酸鹽干濕循環(huán)后的劈裂抗拉強(qiáng)度分別降低了20.33%和14.83%；S3試件組的劈裂抗拉強(qiáng)度在硫酸鹽侵蝕過程中增長(zhǎng)和下降趨勢(shì)明顯，經(jīng)45次硫酸鹽干濕循環(huán)后達(dá)到最大值4.38 MPa，增加了38.17%；與S3試件組一樣，S2試件組的劈裂抗拉強(qiáng)度在硫酸鹽侵蝕過程中也呈現(xiàn)為先增長(zhǎng)后下降的趨勢(shì)，經(jīng)30次硫酸鹽干濕循環(huán)后達(dá)到最大值3.03 MPa，增加了25.73%。由此可以得出，水灰比對(duì)混凝土抗硫酸鹽侵蝕有一定的影響，水灰比越小，混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力越強(qiáng)。

分析上述試驗(yàn)結(jié)果，混凝土在硫酸鹽侵蝕中的破壞主要有兩個(gè)階段，第一階段：干濕循環(huán)過程中，烘干時(shí)箱內(nèi)溫度較高，處于高溫環(huán)境下的混凝土?xí)a(chǎn)生干縮裂縫，對(duì)硫酸鹽滲入混凝土中提供了有利條件；第二階段：硫酸鹽與混凝土中水泥石的某些成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成鈣礬石和石膏。當(dāng)硫酸鹽干濕循環(huán)次數(shù)較少時(shí)，化學(xué)反應(yīng)后生成的鈣礬石和石膏填充了混凝土中的空隙和細(xì)小裂縫，因此強(qiáng)度有所增大。隨著硫酸鹽干濕循環(huán)次數(shù)的增加，鈣礬石和石膏進(jìn)一步積累產(chǎn)生的壓力對(duì)混凝土造成破壞，從而強(qiáng)度又逐漸降低。

3.2 碳化試驗(yàn)

不同水灰比混凝土試件的抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度與碳化齡期的關(guān)系分別如圖5、6所示。

圖5 不同水灰比混凝土的抗壓強(qiáng)度與碳化齡期的關(guān)系

圖6 不同水灰比混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度與碳化齡期的關(guān)系

分析圖5、6可知，混凝土的抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度隨碳化時(shí)間、水灰比的變化規(guī)律相似，皆隨碳化時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，且增大呈現(xiàn)先快后慢的趨勢(shì)。T1試件組經(jīng)14 d碳化后劈裂抗拉強(qiáng)度基本不變。T1、T2、T3試件組經(jīng)過28 d的碳化，抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到44.2、45.3、46.6 MPa，分別增加了13.92%、12.69%、6.88%；劈裂抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到2.99、3.52、3.78 MPa，分別增加了48.76%、46.06%、19.24%。由此可以得出，碳化可以提高混凝土的抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度。

影響碳化作用的兩個(gè)重要因素是Ca(OH)2的含量和環(huán)境中CO2的擴(kuò)散速度。試驗(yàn)剛開始時(shí)，混凝土中Ca(OH)2含量充足，而且內(nèi)部孔隙相對(duì)比較疏松，這樣CO2的擴(kuò)散速度就相對(duì)比較快，因此碳化速度也較快，但隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，Ca(OH)2和CO2發(fā)生反應(yīng)，Ca(OH)2的含量越來越少，而且反應(yīng)生成的碳酸鈣填充了混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，提高了密實(shí)度，從而減緩了CO2的擴(kuò)散速度，導(dǎo)致碳化反應(yīng)越來越慢，因此混凝土的強(qiáng)度增長(zhǎng)也越來越慢。

3.3 碳化和硫酸鹽侵蝕交替試驗(yàn)

不同水灰比混凝土試件的抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度與碳化和硫酸鹽侵蝕交替次數(shù)的關(guān)系分別如圖7、8所示。

由圖7、8可以看出，在碳化和硫酸鹽交替循環(huán)作用下，前期TS2和TS3試件組的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度仍然出現(xiàn)增大的過程，經(jīng)1次交替循環(huán)后強(qiáng)度才開始降低。TS1試件組的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度則隨交替次數(shù)的增加一直在減小。TS1、TS2、TS3試件組經(jīng)4次交替作用后劈裂抗拉強(qiáng)度分別為1.41，1.98，2.91 MPa，比未交替作用時(shí)分別減小29.85%、17.84%和8.20%。經(jīng)過4次交替循環(huán)后，TS3試件組的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度下降幅度最小，分別在12.2%和8.2% 以內(nèi)；而TS1試件組的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度下降幅度最大，分別下降42.27%和29.85% ?？梢娝冶热匀皇侵匾挠绊懸蛩?，水灰比越小，混凝土在交替循環(huán)作用下的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度下降越慢；水灰比越大，面板混凝土在交替循環(huán)下的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度下降越快。

圖7 不同水灰比混凝土的抗壓強(qiáng)度與碳化和硫酸鹽侵蝕交替次數(shù)的關(guān)系

圖8 不同水灰比混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度與碳化和硫酸鹽侵蝕交替次數(shù)的關(guān)系

3.4 碳化和硫酸鹽侵蝕單一試驗(yàn)和交替試驗(yàn)對(duì)比分析

本試驗(yàn)碳化和硫酸鹽侵蝕交替試驗(yàn)的3組試件，總共經(jīng)歷了60次硫酸鹽干濕循環(huán)和28 d齡期的碳化。單一因素作用下各組試件的抗壓強(qiáng)度損失率、劈裂抗拉強(qiáng)度損失率的疊加結(jié)果與雙重因素交替作用下各組試件抗壓強(qiáng)度損失率和劈裂抗拉強(qiáng)度損失率的結(jié)果如表2所示。

表2 各組試件經(jīng)多次單一碳化和硫酸鹽侵蝕作用及二者交替作用后抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度損失率 %

注：表中損失率為正值表示強(qiáng)度降低；損失率為負(fù)值表示強(qiáng)度增加，下同。

從表2中各組試件抗壓強(qiáng)度損失率及劈裂抗拉強(qiáng)度損失率的疊加結(jié)果可知，單一因素作用下經(jīng)60次硫酸鹽干濕循環(huán)及28 d碳化后，水灰比為0.45、0.40、0.35的3組混凝土試件的抗壓強(qiáng)度損失率分別為-8.0%、-15.7%和-13.5%，劈裂抗拉強(qiáng)度損失率分別為-34.3%、-56.0%和-50.8%。經(jīng)硫酸鹽侵蝕和碳化雙重因素循環(huán)交替作用后，水灰比為0.45、0.40、0.35的3組混凝土試件的抗壓強(qiáng)度損失率分別為42.3%、25.9%和12.2%，劈裂抗拉強(qiáng)度損失率分別為29.9%、17.8%和8.2%。單一因素作用下各組試件的抗壓強(qiáng)度損失率及劈裂抗拉強(qiáng)度損失率的疊加結(jié)果都是負(fù)值，表示此時(shí)各組試件皆處于抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度增加的狀態(tài)，而交替循環(huán)以后，各組試件的抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度都出現(xiàn)不同程度的降低。

由以上結(jié)果可知，交替作用中碳化和硫酸鹽侵蝕相互起促進(jìn)作用，加速了混凝土的劣化。經(jīng)過交替試驗(yàn)的試件，其強(qiáng)度降低幅度比單一因素碳化和硫酸鹽侵蝕作用下的簡(jiǎn)單疊加更大。主要有以下兩方面原因：一方面是在硫酸鹽侵蝕過程中，混凝土試件在干濕循環(huán)以及高溫烘烤作用下，混凝土試件表面會(huì)產(chǎn)生干縮裂縫。這些干縮裂縫會(huì)加速硫酸鹽離子的入侵量，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部孔隙中產(chǎn)生較多鈣礬石以及石膏等晶體，大量的晶體產(chǎn)生會(huì)在混凝土孔隙內(nèi)壁形成拉應(yīng)力導(dǎo)致孔隙破壞形成裂縫，在宏觀表現(xiàn)為混凝土的力學(xué)性質(zhì)的降低；另一方面，因?yàn)榱蛩猁}干濕循環(huán)過程中產(chǎn)生大量的干縮裂縫，就會(huì)加速CO2通過外部進(jìn)入到混凝土內(nèi)部，從而與混凝土中的堿性物質(zhì)Ca(OH)2等物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，從而導(dǎo)致混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，因此混凝土的強(qiáng)度會(huì)有所降低。這兩個(gè)方面的原因相互影響、共同作用加速了混凝土的破壞。

4 結(jié) 論

(1)水灰比越小，硫酸鹽侵蝕后混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度下降幅度越小，混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力越強(qiáng)；劈裂抗拉強(qiáng)度較抗壓強(qiáng)度對(duì)硫酸鹽侵蝕產(chǎn)生的損傷更為敏感。

(2)隨著碳化齡期的延長(zhǎng)，混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度越來越大。水灰比越大，混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度增加的速度越快。隨著碳化時(shí)間的延長(zhǎng)，混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的增大呈現(xiàn)先快后慢的趨勢(shì)。

(3)混凝土碳化與硫酸鹽侵蝕雙因素作用下，水灰比越小，混凝土在交替循環(huán)下的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度下降幅度越小。

(4)碳化與硫酸鹽侵蝕共同作用下，二者對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響特征并非各自影響效應(yīng)的簡(jiǎn)單疊加，而是相互影響、相互促進(jìn)。

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